Квантовый интернет звучит как фантастика, но базовые элементы уже демонстрируются в лабораториях и на прототипах сетей: учёные учатся распределять запутанные состояния между удалёнными узлами и телепортировать квантовую информацию, не перенося сами частицы.
Что такое квантовая телепортация (и что ей не является)
Квантовая телепортация не переносит материю и не работает мгновенно — это способ передать неизвестное квантовое состояние от отправителя к получателю, используя запутанность и обычный классический канал.
- Идея: у отправителя (Алисы) и получателя (Боба) заранее есть пара запутанных частиц. Алиса «склеивает» частицу с неизвестным состоянием с своей половиной запутанной пары, проводит специальное совместное измерение и получает два классических бита результата.
- Эти два бита она посылает Бобу по обычной связи; зная их, Боб применяет к своей частице одну из четырёх простых операций и получает состояние, идентичное исходному. Исходное состояние при этом в точке Алисы разрушено — это строго соблюдает запрет на клонирование и отсутствие сверхсветовой связи.
Зачем нужны квантовые повторители
Фотонные кубиты в волокне или воздухе теряются и шумят сильно быстрее, чем классический сигнал: просто «усилить» их, как в оптоволокне, нельзя, потому что усиление разрушит квантовое состояние.
- Квантовый повторитель разбивает длинную линию связи на цепочку более коротких отрезков, на каждом из которых создаётся запутанность между соседними узлами и временно хранится в квантовой памяти.
- После этого по цепочке последовательно проводят операции «сшивания» (entanglement swapping), чтобы в итоге получить одну запутанную пару между далёкими концами. Это позволяет преодолевать потери и шум поэтапно, не пытаясь «дотянуться» одним прыжком.
Из чего складывается квантовая сеть
Полноценная квантовая сеть — это не только оптоволокно и лазеры, но и набор специализированных компонентов.
- Фотоны в волокнах или свободном пространстве — переносчики кубитов; детекторы одиночных фотонов — «глаза» сети.
- Квантовые узлы и повторители содержат системы, в которых можно надёжно хранить и обрабатывать квантовые состояния: ионы в ловушках, сверхпроводящие контуры, центры в алмазе или холодные атомы, связанные с фотонами.
- Поверх этого нужны протоколы распределения запутанности, квантового распределения ключей, маршрутизации и синхронизации, а также слой классической связи, который доставляет вспомогательную информацию (результаты измерений, команды, коррекции).
Зачем вообще нужен квантовый интернет
Есть несколько классов задач, которые принципиально выигрывают от квантовой связи.
- Безусловно защищённая криптография: квантовое распределение ключей позволяет детектировать подслушивание по самой физике измерения, а не по предположениям о сложности вычислений.
- Распределённые квантовые вычисления и сенсоры: объединённые узлы могут выполнять задачи быстрее или чувствительнее, чем отдельные устройства, например, для синхронизации часов, гравитационных измерений или исследований тонких эффектов в материалах.
- Сложные многопользовательские задачи (многоточечная запутанность, протоколы голосования, проверяемые вычисления) теоретически могут получить качественно новые уровни безопасности и эффективности.
Где мы сейчас и что дальше
Сейчас существуют городские и кампусные квантовые линии, где демонстрируется распределение запутанности между несколькими лабораториями, простейшие квантовые ключи и протоколы телепортации состояний на десятки километров.
Следующие шаги — создание надёжных квантовых повторителей с рабочими квантовыми памятьми, масштабирование линий на сотни и тысячи километров и стыковка наземных сетей со спутниками, чтобы постепенно перейти от отдельных демонстраций к зачаткам глобального квантового интернета.
